Обеспечение транспортного средства энергией с использованием индуктивности и выпрямителя
Владельцы патента RU 2607856:
БОМБАРДИР ТРАНСПОРТАЦИОН ГМБХ (DE)
Группа изобретений относится к устройству для обеспечения транспортного средства электрической энергией. Приемное устройство (1) содержит индуктивность (3) для выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции. Индуктивность (3) и еще один электрический элемент (4), который подключен к индуктивности (3), имеют резонансную частоту, с которой вырабатывается фаза переменного электрического тока. Индуктивность (3) и электрический элемент (4) подключены к выпрямителю (10). Выпрямитель (10) содержит автоматически управляемый переключатель (12, 13). Замыкание переключателя (12, 13) или нескольких переключателей приводит к образованию цепи короткого замыкания параллельно индуктивности (3) или параллельно двум или более индуктивностям (3), включая электрический элемент. Устройство содержит управляющее устройство, которое выполнено для управления переключателем (12, 13). Управляющее устройство выполнено для включения и выключения переключателя (12, 13) с частотой, которая меньше, чем резонансная частота. Также заявлены транспортное средство, содержащее устройство обеспечения электроэнергией, способы эксплуатации и изготовления данного транспортного средства. Технический результат заключается в снижении электрических потерь. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к устройству для обеспечения транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля, электрической энергией, причем устройство содержит приемное устройство, выполненное для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции (то есть магнитной индукции, которая вызвана электромагнитным полем, и индукция вырабатывает электрическую энергию). Приемное устройство содержит по меньшей мере одну индуктивность, которая выполнена из электропроводящего материала, для выработки одной фазы переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции. По меньшей мере одна индуктивность и факультативно по меньшей мере еще один электрический элемент (прежде всего, емкость), который подключен (прежде всего, последовательно) к индуктивности для выработки одной фазы переменного электрического тока, обладает резонансной частотой, с которой вырабатывается фаза переменного электрического тока, когда переменное поле с соответствующей частотой принимается приемным устройством. Индуктивность подключена к выпрямителю для выпрямления переменного электрического тока и выработки таким образом постоянного электрического тока. Как поймет специалист, резонансная частота, с которой вырабатывается фаза переменного электрического тока, может изменяться в зависимости от индуктивной связи между приемным устройством и устройством, которое вырабатывает электромагнитное поле.
Кроме того, изобретение относится к системе для передачи энергии к транспортному средству, причем система содержит конструкцию, и относится к транспортному средству, содержащему конструкцию. Изобретение относится также к способу изготовления конструкции и способу эксплуатации транспортного средства посредством приемного устройства, которое принимает переменное электромагнитное поле и вырабатывает переменный электрический ток посредством магнитной индукции.
WO 2010/031595 А2 раскрывает устройство для обеспечения транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства электроэнергией, причем устройство содержит приемное устройство, выполненное для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции. Приемное устройство содержит несколько обмоток и/или катушек из электропроводящего материала, причем каждая обмотка или катушка выполнена для выработки отдельной фазы переменного электрического тока.
Настоящее изобретение может быть применено к любому наземному транспортному средству (включая, но не предпочтительно, любое транспортное средство, которое лишь временно находится на земле), прежде всего привязанному к полосе движения транспортному средству, такому как рельсовое транспортное средство (например, трамвай), то также к дорожным автомобилям, таким как частные легковые автомобили, или общественным транспортным средствам (например, автобусам, включая троллейбусы, которые также являются привязанными к полосе движения транспортными средствами).
Предпочтительно, проводниковая структура первичной стороны, которая создает переменное электромагнитное поле, встроена в полосу движения или дорогу, так что электрические линии проводниковой структуры первичной стороны распространяются в плоскости, которая почти параллельна поверхности дороги или полосы движения, по которой может перемещаться транспортное средство. Как также описано в WO 2010/031595 А2, приемное устройство может быть расположено на нижней стороне транспортного средства и может быть закрыто ферромагнитным телом, таким как тело в форме плиты или пластины. Подходящим материалом является феррит. Тело связывает и перенаправляет линии электромагнитного поля и поэтому уменьшает напряженность поля выше тела почти до нуля. Однако возможны также другие конфигурации, положения и/или ориентации проводниковой структуры первичной стороны. Например, проводниковая структура первичной стороны может быть расположена сбоку от транспортного средства.
В любом случае промежуток между проводниковой структурой первичной стороны и по меньшей мере одной индуктивностью приемного устройства должен быть как можно меньше, поскольку эффективность беспроводной передачи энергии между первичной и вторичной сторонами меньше для больших промежутков. По этой же причине напряжение, которое индуцируется в по меньшей мере одной индуктивности, зависит от размера промежутка. Одним путем использования меняющегося напряжения на вторичной стороне системы является подача электрической энергии только к потребителям энергии, которые терпимы к напряжению, то есть могут приводиться в действие в широком диапазоне напряжений. Одним примером, к которому может быть применено настоящее изобретение, является система тяги рельсового транспортного средства, которая содержит промежуточную цепь переменного тока, подключенную к приемному устройству, и которая дополнительно содержит по меньшей мере один инвертер, который преобразует постоянный ток в переменный ток для приведения в действие по меньшей мере одного тягового двигателя транспортного средства. Инвертер может управляться для компенсации изменений напряжения в промежуточной цепи постоянного тока.
Однако в транспортном средстве имеются другие электрические системы или устройства, которые не могут выдержать изменяющееся напряжение. Поэтому еще одной возможностью обеспечения транспортного средства энергией и ее использования является регулирование размера промежутка между индуктивностями первичной и вторичной сторон для поддержания изменений напряжения в узком диапазоне напряжений.
WO 2009/074207 А2 описывает систему для бесконтактной передачи энергии к части системы, прежде всего расположенной подвижно части системы, и способ, в котором предусмотрен установленный неподвижно первичный проводник, с которым индуктивно связаны одна или несколько вторичных катушек, заключенных в вышеупомянутой части. Вторичные катушки соединены последовательно с одним или несколькими конденсаторами так, что резонансная частота сформированного таким образом последовательного резонансного контура по существу равна частоте переменного тока, введенного в первичный проводник, причем напряжение, появляющееся на последовательном резонансном контуре, подается к выпрямителю, на выходной стороне которого предусмотрен переключатель, который может быть приведен в действие как короткозамыкатель, ток, не проходящий через переключатель, подается на сглаживающий конденсатор через шунтирующий диод, и напряжение, появляющееся на сглаживающем конденсаторе, становится доступным для пользователя.
Недостатком этого устройства вторичной стороны является шунтирующий диод, который увеличивает потери во время работы. Кроме того, вариант осуществления, показанный на фиг. 1 WO 2009/074207 А2, имеет тот недостаток, что ток всегда течет через последовательное соединение двух полупроводниковых приборов, а именно шунтирующий диод и один из диодов выпрямителя, и, следовательно, электрические потери возрастают.
Предметом настоящего изобретения является разработка устройства для обеспечения транспортного средства электрической энергией, причем устройство содержит приемное устройство, содержащее индуктивность для выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции, и причем устройство оснащено средствами для уменьшения изменений напряжения. По сравнению с известными решениями потери во время работы должны быть уменьшены. Прежде всего, устройство должно быть также оснащено средствами для минимизации потерь, которая может быть обеспечена средствами для уменьшения колебаний напряжения. Еще одним предметом изобретения является разработка соответствующей системы для передачи энергии к транспортному средству, транспортного средства, которое содержит устройство, способа эксплуатации транспортного средства и способа изготовления устройства.
Основной идеей настоящего изобретения является встраивание в выпрямитель по меньшей мере одного переключателя. В отличие от WO 2009/074207 А2, на выходной стороне выпрямителя переключатель не предусмотрен. Следовательно, дополнительный шунтирующий диод может быть исключен. По меньшей мере один переключатель, который встроен в выпрямитель, приводится в действие для создания цепи короткого замыкания параллельно индуктивности или параллельно двум или более индуктивностям приемного устройства, которое выполнено для приема переменного электромагнитного поля и для выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции. Прежде всего, предлагается следующее: Устройство для обеспечения транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля, электрической энергией, причем:
- устройство содержит приемное устройство, выполненное для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- приемное устройство содержит по меньшей мере одну индуктивность, которая выполнена из электропроводящего материала, для выработки одной фазы переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- по меньшей мере одна индуктивность и факультативно по меньшей мере еще один электрический элемент, который подключен к индуктивности для выработки одной фазы переменного электрического тока, имеет(-ют) резонансную частоту, с которой вырабатывается фаза переменного электрического тока, когда переменное электромагнитное поле соответствующей частоты принимается приемным устройством,
- индуктивность и факультативно по меньшей мере еще один электрический элемент подключена(-ны) к выпрямителю для выпрямления переменного электрического тока и выработки таким образом постоянного электрического тока,
- выпрямитель содержит по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель, который расположен или, в случае более чем одного автоматически управляемого переключателя, которые расположены таким образом, что замыкание переключателя (то есть его включения) или замыкание нескольких переключателей приводит к образованию цепи короткого замыкания параллельно индуктивности или параллельно двум или более индуктивностям, факультативно включая по меньшей мере еще один электрический элемент(-ты),
- устройство содержит управляющее устройство, которое выполнено для управления по меньшей мере одним автоматически управляемым переключателем, и
- управляющее устройство выполнено для включения (то есть замыкания переключателя) и выключения (то есть размыкания переключателя) по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя с частотой, которая меньше, чем резонансная частота.
По сравнению с описанным выше уровнем техники, по меньшей мере один переключатель подключен параллельно однонаправленному вентилю (прежде всего диоду) выпрямителя или, альтернативно, переключатель встроен в однонаправленный вентиль (например, может быть использован IGBT или MOSFET, который имеет встроенный диод, так называемый паразитный диод), причем соответствующий вентиль выпрямителя выполнен для пропускания электрического тока только в одном направлении, так что, если переключатель включен, электрический ток может течь в противоположном направлении через вентиль или может течь в противоположном направлении мимо вентиля. Если переключатель подключен параллельно (первому) однонаправленному вентилю и если выпрямитель содержит мост, имеющий два однонаправленных вентиля, подключенных последовательно друг другу, то переключатель также соединен последовательно с другим (вторым) однонаправленным вентилем.
Предпочтительно, устройство вырабатывает более чем одну фазу (например, три фазы) переменного тока посредством электромагнитной индукции в соответствующем числе фазовых линий. Несколько фаз обеспечивают более гладкий постоянный ток на выходной стороне выпрямителя. Кроме того, многофазные приемные устройства могут вырабатывать более высокую мощность, и эффекты рассеяния могут быть уменьшены.
Прежде всего, приемное устройство содержит несколько фазовых линий из электропроводящего материала, причем каждая фаза содержит одну из индуктивностей, причем каждая индуктивность выполнена для выработки одной из нескольких фаз переменного электрического тока, и причем фазовые линии подключены друг к другу с образованием нейтральной точки звезды на одном конце фазовой линии и подключены к выпрямителю на противоположном конце фазовой линии.
Прежде всего, каждый из противоположных концов фазовых линий подключен к одному из нескольких мостов выпрямителя, причем каждый мост содержит два однонаправленных вентиля, которые подключены последовательно друг другу, причем каждый вентиль выполнен для пропускания электрического тока только в одном направлении, и причем по меньшей мере один из вентилей каждого моста объединен с одним из автоматически управляемых переключателей, так что, если переключатель включен, электрический ток может течь в противоположном направлении через вентиль или течь мимо вентиля в противоположном направлении. То же самое применимо к полномостовому выпрямителю в случае однофазного приемного устройства.
По меньшей мере один автоматически управляемый переключатель может быть объединен с вентилем (например, может быть встроен в вентиль или может быть подключен параллельно вентилю) выпрямителя, причем вентиль выполнен для пропускания электрического тока только в одном направлении, и причем, если переключатель включен, электрический ток может течь в противоположном направлении через вентиль или течь мимо вентиля в противоположном направлении, причем управляющее устройство выполнено для разрешения включения переключателя только когда величина протекающего через вентиль электрического тока равна нулю или меньше, чем заданная пороговая величина. Посредством этого варианта осуществления потери во время работы могут быть значительно снижены. Это возможно, поскольку управляющее устройство выполнено для управления переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя с частотой переключения, которая меньше, чем резонансная частота. С этой частотой переключения включается по меньшей мере один переключатель. Также с этой частотой переключения выключается по меньшей мере один переключатель. Поскольку интервал времени между включением и выключением переключателя обычно отличается от интервала времени между выключением и включением переключатель и поскольку эти интервалы времени могут изменяться, то могут быть установлены разные отношения этих интервалов времени или коэффициенты заполнения (см. ниже).
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, для того чтобы сделать возможным как включение, так и выключение по меньшей мере одного переключателя, когда величина электрического тока через вентиль (вентили) равна нулю или меньше заданной пороговой величины, частота переключения равна целочисленной доле резонансной частоты, то есть резонансная частота является целочисленным кратным частоты переключения. Прежде всего, целочисленная доля может быть предопределенной, то есть может быть установлена перед работой приемного устройства. Это не исключает приведения целочисленной доли в соответствие другой величине во время работы.
Прежде всего, резонансная частота или эквивалентная величина может быть определена во время работы. Следовательно, резонансная частота может быть точным целочисленным кратным частоты переключения во время работы. Например, если резонансная частота изменяется, то частота переключения изменяется соответствующим образом и, предпочтительно, автоматически. Эквивалентной величиной может быть время периода или полупериода переменного тока или переменного напряжения на входной стороне выпрямителя, например, переменного тока или переменного напряжения одной или более чем одной фазы приемного устройства. Например, детектор, который подключен к счетчику, многократно определяет, когда переменный ток или переменное напряжение становится равным нулю, и вычислительное устройство вычисляет резонансную частоту. Однако также возможно, что частота переменного тока или переменного напряжения запускает выработку частоты переключения различным образом.
Управляющее устройство может содержать блок управления, который выполнен для управления отношением интервалов времени, когда по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель включен и, следовательно, имеется цепь короткого замыкания, к интервалам времени, когда по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель выключен. Благодаря согласованию по времени процесса переключения, электрические потери, которые иначе возникали бы в переключателе и вентиле, существенно уменьшаются. Кроме того, переключатель вырабатывает меньше тепла, и охлаждение переключателя облегчается.
Прежде всего, управляющее устройство может быть выполнено для управления переключением по меньшей мере одного автоматически регулируемого переключателя в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока на стороне постоянного тока выпрямителя. Пример будет приведен ниже.
Согласно особому применению изобретения, устройство содержит аккумулирующее устройство для хранения электрической энергии, которая поставляется выпрямителем, причем выпрямитель подключен к аккумулирующему устройству, и причем управляющее устройство выполнено для управления переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока, которая(-ые) требуется(-ются) для зарядки аккумулирующего устройства.
Кроме того, изобретение включает в себя транспортное средство, содержащее устройство согласно одному из описанных здесь вариантов осуществления, причем выпрямитель подключен к аккумулирующему устройству для хранения электрической энергии.
В дополнение, изобретение включает в себя способ эксплуатации транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля, с использованием электрической энергии, причем:
- переменное электромагнитное поле принимают и используют для выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- переменное электромагнитное поле принимают посредством по меньшей мере одной индуктивности, которая выполнена из электропроводящего материала и которая посредством электромагнитной индукции вырабатывает одну фазу переменного тока,
- индуктивность и факультативно по меньшей мере еще один электрический элемент, который подключен к индуктивности, вырабатывает фазу переменного электрического тока на резонансной частоте,
- переменный электрический ток выпрямляют посредством выпрямителя и за счет этого вырабатывают электрический ток,
- выпрямитель приводят в действие с использованием по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя, который или, в случае более чем одного автоматически управляемого переключателя, которые временно замыкаются, так что создается цепь короткого замыкания параллельно индуктивности или параллельно двум или более индуктивностям, факультативно включая по меньшей мере еще один электрический элемент(-ты),
- по меньшей мере одним автоматически управляемым переключателем управляют с помощью управляющего устройства так, что по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель включается и выключается с частотой, которая меньше, чем резонансная частота.
Прежде всего, переменный электрический ток может вырабатываться с использованием нескольких фазовых линий электропроводящего материала, причем каждая фазовая линия содержит одну из индуктивностей, которая вырабатывает одну или несколько фаз переменного электрического тока. Другие варианты осуществления способа следуют из описания устройства.
Например, выпрямитель может содержать вентиль, который используется для выпрямления переменного электрического тока, причем автоматически управляемый переключатель объединен с вентилем, причем вентиль проводит, в первом рабочем состоянии, в то время как переключатель выключен, электрический ток только в одном направлении и вентиль или байпасная линия вентиля может проводить, во втором рабочем состоянии, в то время как переключатель включен, электрический ток в противоположном направлении, причем переключение переключателя разрешено только в то время, когда величина электрического тока через вентиль равна нулю или меньше, чем заранее заданная пороговая величина.
Отношение интервалов времени, когда по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель включен и, следовательно, имеется цепь короткого замыкания, к интервалам времени, когда по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель выключен, может регулироваться управляющим устройством.
Прежде всего, управляющее устройство может управлять переключением по меньшей мере одного автоматически регулируемого переключателя в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока на стороне постоянного тока выпрямителя.
Электрическая энергия может подаваться выпрямителем к аккумулирующему энергию устройству транспортного средства, и управляющее устройство может управлять переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока, который требуется для зарядки аккумулирующего устройства.
Изобретение включает в себя способ изготовления транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля, имеющий следующие шаги:
- обеспечение приемного устройства, выполненного для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- обеспечение для приемного устройства по меньшей мере одной индуктивности, которая выполнена из электропроводящего материала, для выработки одной фазы переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- адаптация по меньшей мере одной индуктивности и факультативно по меньшей мере еще одного электрического элемента, который подключен к индуктивности для выработки одной фазы переменного электрического тока, к работе на резонансной частоте, с которой вырабатывается фаза переменного электрического тока, когда переменное электромагнитное поле с соответствующей частотой принимается приемным устройством,
- подключение индуктивности и факультативно по меньшей мере еще одного электрического элемента к выпрямителю для выпрямления переменного электрического тока и выработки за счет этого постоянного переменного тока,
- размещение по меньшей мере одного автоматически регулируемого переключателя выпрямителя таким образом, что замыкание переключателя или замыкание нескольких переключателей приводит к цепи короткого замыкания параллельно индуктивности или параллельно двум или более индуктивностям, факультативно включая по меньшей мере еще один электрический элемент(-ты),
- обеспечение управляющего устройства и адаптация управляющего устройства так, что он способен управлять по меньшей мере одним автоматически управляемым переключателем и
- адаптация управляющего устройства так, что он способен включать и выключать по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель с частотой, которая меньше, чем резонансная частота.
Примеры изобретения будут описаны со ссылкой на прилагаемые фигуры следующим образом:
Фиг. 1 показывает принципиальную схему приемного устройства, которое подключено к выпрямителю, причем сторона постоянного тока выпрямителя подключена к нагрузке,
Фиг. 2 показывает модифицированный выпрямитель, имеющий только два моста,
Фиг. 3 показывает принципиальную схему устройства, подобного устройству на фиг. 1, причем показаны измерительное устройство для измерения фазовых токов приемного устройства и для измерения напряжения промежуточной цепи постоянного тока,
Фиг. 4 показывает принципиальную схему устройства, подобного устройству на фиг. 3, причем каждый мост выпрямителя имеет только один переключатель,
Фиг. 5 показывает принципиальную схему контура управления для управления процессами переключения переключателей, которые встроены в выпрямитель, например выпрямитель на фиг. 1, фиг. 3 или фиг. 4, и
Фиг. 6 показывает диаграммы величин как функций времени с переменным током, выработанным приемным устройством, подключенным к выпрямителю, такому как выпрямитель, показанный на фиг. 4, в верхней трети диаграммы, с напряжением постоянного тока на выходе выпрямителя в средней трети диаграммы и с треугольным сигналом и ступенчатой функцией, показывающими состояние переключения переключателей, в нижней трети диаграммы.
Приемное устройство 1 для приема электромагнитного поля, показанное на фиг. 1, содержит три фазовые линии 2а, 2b, 2с, которые подключены на одной стороне к общей нейтральной точке 5 звезды. Другая сторона каждой фазовой линии 2а, 2b, 2с подключена к соответствующему мосту выпрямителя 10. Каждая фазовая линия 2а, 2b, 2с содержит индуктивность 3а, 3b, 3с, которая подключена последовательно к емкости 4а, 4b, 4с для компенсации индуктивностей рассеяния, вызванных индуктивностями 3а, 3b, 3с. Каждая из индуктивностей 3 и каждая из компенсирующих емкостей 2 может быть реализована или одним элементом (такими, как индуктор или конденсатор) или комбинацией элементов (такой как последовательно соединение и/или параллельное соединение индукторов или конденсаторов). Является также возможным, что первая часть индуктивности 3 фазовой линии 2 подключена ко второй части индуктивности 3 через первую часть или единственную часть емкости 4.
Во время работы приемного устройства 1, падающее электромагнитное поле индуцирует в индуктивностях 3а, 3b, 3с электрическое напряжение, так что на каждой фазовой линии 2а, 2b, 2с имеется напряжение между нейтральной точкой 5 звезды на одном конце и местом подключения к мосту 11 выпрямителя 10 на другом конце. Если к стороне постоянного тока выпрямителя 10 подключена нагрузка 17 и эта нагрузка приведена в действие, то через фазовые линии 2а, 2b, 2с течет соответствующий переменный ток, который выпрямляется выпрямителем 10 и подается к нагрузке 17 как протекающий через соединительные линии 18а, 18b постоянный ток. Протекающие через фазовые линии 2а, 2b, 2с токи могут быть измерены измерительными устройствами 36а, 36b, 36с, показанными на фиг. 3 и фиг. 4 (например, с использованием катушек Роговского).
Индуктивности 3а, 3b, 3с приемного устройства 1, предпочтительно, расположены таким образом, что падающее электромагнитное поле вырабатывает переменные электрические токи в фазовых линиях 2а, 2b, 2с со сдвигом фаз 120°, как это обычно имеет место для трехфазного переменного тока.
Показанный на фиг. 1 выпрямитель 10 содержит три моста 11а, 11b, 11с. Каждый из мостов 11 содержит последовательное соединение двух диодов 14а, 15а; 14b, 15b; 14с, 15с. Эти диоды 14, 15 позволяют электрическому току течь с нижней стороны, показанной на фиг. 1, к верхней стороне, показанной на фиг. 1, так что электрический потенциал в линии 18b тока выше, чем в линии 18а тока. Между линиями 18а, 18b постоянного тока подключен сглаживающий конденсатор 16. Сглаживающий конденсатор 16 подключен к выходной стороне выпрямителя, то есть к выходной стороне трех мостов 11, и не является частью выпрямителя 10. Каждый мост подключен к одному концу первой линии 18а постоянного тока, а другой конец - ко второй линии 18b постоянного тока.
В показанном на фиг. 1 особом варианте осуществления каждый диод 14, 15 подключен параллельно переключателю 12, 13 так, что переключатель 12, 13 позволяет электрическому току проходить мимо диода 14, 15, когда переключатель включен.
Во время работы приемного устройства 1 и выпрямителя 10 переключатели 12, 13 могут многократно включаться и выключаться для увеличения или уменьшения постоянного тока на выходной стороне выпрямителя 10 по сравнению с нормальной работой выпрямителя 10. «Нормальная работа» означает, что ни один из переключателей 12, 13 не приводится в действие. Прежде всего, переключатели 12, 13 приводятся в действие таким образом, что в один момент времени включены или первые переключатели 12а, 12b, 12с, или вторые переключатели 13а, 13b, 13с мостов 11. Например, начиная с первого рабочего состояния, когда все переключатели 12, 13 выключены, первые переключатели 12а, 12b, 12с включаются и отключаются после определенного интервала времени и затем, после второго интервала времени, вторые переключатели 13а, 13b, 13с включаются и выключаются после третьего интервала времени. После четвертого интервала первые выключателя 12а, 12b, 12с включаются снова в течение первого интервала времени, и т.д. Для этой работы может быть задан коэффициент заполнения d, который является отношением суммы первого и третьего интервалов времени (когда переключатели 12 или переключатели 13 включены) к сумме второго и четвертого интервалов времени (когда переключатели 12, 13 выключены). Напряжение на выходной стороне выпрямителя 10 равно:
где UA - постоянное напряжение на выходной стороне выпрямителя 10 на сглаживающем конденсаторе 16, a UE - среднеквадратическое значение (RMS) трехфазного переменного напряжения в месте соединения между приемным устройством 1 и выпрямителем 10.
Прежде всего, не только в отношении принципиальных схем на фиг. 1-5, частота переключения переключателей 12, 13 меньше, чем частота переменного тока, вырабатываемого фазовыми линиями или фазовой линией приемного устройства. Поэтому является возможным и предпочтительным включать переключатели 12 или 13 только когда протекающий через вентиль (например, диоды 14, 15) ток равен нулю или меньше, чем заранее заданная граничная величина. Поэтому могут быть предотвращены или уменьшены потери, обусловленные переключением переключателей 12, 13 под нагрузкой. Для обнаружения, является ли протекающий через вентиль ток равным нулю или меньшим, чем заранее заданная граничная величина, может быть использовано измерительное устройство 36, упомянутое в связи с фиг. 3 и фиг. 4.
На фиг. 2 показан модифицированный выпрямитель, имеющий только два моста 21а, 21b. Снова каждый мост 21 содержит последовательное соединение двух вентилей (диодов 34а, 35а; 34b, 35b) и имеется переключатель 32а, 33а; 32b, 33b, подключенный параллельно каждому вентилю 34, 35, образующий байпасную линию, когда переключатель 32, 33 включен.
Показанные на фиг. 2 фазовые линии 22а, 22b могут быть фазовыми линиями двухфазного переменного тока или могут быть соединительными линиями к приемнику, который вырабатывает только одну фазу переменного тока, когда электромагнитное поле является падающим.
Одинаковые цифровые ссылочные обозначения на разных фигурах указывают на одинаковые или функционально одинаковые элементы. Следовательно, 18а, 18b на фиг. 2 указывают на линии постоянного тока в выходной стороне выпрямителя.
Как показано на фиг. 4, один комплект переключателей (а именно, переключатели 13 на фиг. 1 и фиг. 3) может быть исключен. Это основано на обнаружении того, что только единственный комплект переключателей (например, переключатели 12 или переключатели 13 на фиг. 1 и фиг. 3) требуется для образования цепи короткого замыкания на фазовой линии 2 для изменения переменного напряжения на индуктивности 3 и, следовательно, для изменения постоянного напряжения на выходной стороне выпрямителя [вероятно, в предложении пропущены слова «переменного напряжения» - прим. переводчика]. То же относится к модифицированной конструкции выпрямителя, показанного на фиг. 2, или к любому другому выпрямителю. В случае фиг. 2 переключатели 32а, 32b могут быть исключены, и переключатели 33а, 33b могут многократно включаться и выключаться, и предпочтительно в одно и то же время, для образования цепи короткого замыкания на соединительных линиях 22а, 22b или фазовых линиях 22а, 22b соответственно.
Как показано на фиг. 3 и фиг. 4, последовательное соединение двух дополнительных емкостей 42, 43 может быть подключено на их противоположных концах к линиям 18а, 18b постоянного тока. Кроме того, точка соединения между емкостями 42, 43 может быть подключена к потенциалу земли, как показано на фиг. 3 и фиг. 4. Дополнительно или альтернативно между линиями 18а, 18b постоянного тока может быть подключено измерительное устройство 41. Прежде всего, измерительное устройство 41 может быть выполнено для измерения напряжение между линиями 18а, 18b и, предпочтительно, также протекающего по меньшей мере через одну из линий 18а, 18b тока. Измеренные значения, поставляемые измерительным устройством 41, могут быть использованы для управления работой нагрузки (например, нагрузки 17 на фиг. 1 или другой нагрузки, такой как энергоаккумулирующее устройство для хранения электрической энергии) и/или может быть использовано для управления работой переключателей выпрямителя. Прежде всего, на основании измеренных значений измерительного устройства 41 может быть задан коэффициент заполнения для переключателей, так что может быть реализовано регулирование по замкнутому циклу. Следовательно, постоянное напряжение между линиями 18а, 18b постоянного тока может, например, регулироваться так, чтобы оставаться постоянным. Альтернативно напряжение и/или ток на стороне выхода выпрямителя могут регулироваться так, чтобы удовлетворять другим требованиям нагрузки или нагрузок.
Пример регулирования по замкнутому циклу для управления работой переключателей выпрямителя, такого как показанный на фиг. 1 выпрямитель, будет разъяснен со ссылкой на фиг. 5. Как упомянуто выше, протекающие через фазовые линии приемного устройства токи измеряются, прежде всего, непрерывно или квазинепрерывно. В случае приведенного в качестве примера трехфазного приемного устройства (соответствующий контур регулирования может быть реализован для любого другого числа фазовых линий приемного устройства) три фазовых тока трехфазного переменного тока обозначены через Ia, Ib, Ic. Фазовые токи подаются в первое вычислительное устройство 51а, 51b, 51с для вычисления раздельно для каждой фазы среднеквадратического значения (RMS) фазовых токов. RMS выводится к суммирующему устройству 52 для сложения величин и вывода результирующей суммы к вычитающему устройству 53, которое вычитает сумму из заданного значения Iset. Это заданное значение Iset генерируется согласно требованиям управления. Например, заданное значение может генерироваться на основании измерения постоянного напряжения на выходной стороне выпрямителя, как упомянуто выше.
Разность, которая выдается вычитающим устройством 53 и вводится в блок 54 управления, который может быть ПИ регулятором (пропорционально-интегральным регулятором). Выходная величина блока 54 управления подается к компаратору 56, который сравнивает выходную величину с треугольным сигналом, вырабатываемым устройством 55 для выработки треугольного сигнала. Частота треугольного сигнала равна частоте переключения, которая является целочисленной долей резонансной частоты, то есть резонансная частоты является целочисленным кратным частоты переключения.
Прежде всего, входная величина, которая получена компаратором 56 от блока 54 управления, может быть коэффициентом заполнения d. Результирующей выходной величиной компаратора является ступенчатая функция, имеющая два разных функциональных значения, а именно 1 и 0, которые соответствуют коэффициенту заполнения. Эта ступенчатая функция подается к отдельным драйверным устройствам 59а, 59b, 59 с для управления, например, переключателями 12 и 13 на фиг. 1 или переключателями 12 на фиг. 4. В случае присутствия двух комплектов переключателей 12, 13, драйверные устройства 59 объединяются с альтернатором для попеременного приведения в действие переключателей 12 и 13, то есть переключатели 12 включаются и выключаются прежде, чем включаются и выключается переключатели 13, и наоборот.
Выходная величина компаратора 56 подается к первому входу D драйверных устройств 59, и, предпочтительно, имеется вторая входная величина, которая подается ко второму входу Q драйверных устройств 59 для включения переключателей, только если ток, протекающий через соответствующий вентиль, равен нулю или меньше, чем заранее заданная пороговая величина Ilim. Эта пороговая величина Ilim вводится в комплект вторых компараторов 58а, 58b, 58с, и измеренные переменные токи фазовых линий (то есть фазовые токи Ia, Ib, Ic) также вводятся во вторые компараторы 58 отдельно для каждой фазы. Вторые компараторы 58 сравнивают текущую величину переменного тока с пороговой величиной Ilim и выдают разрешающий сигнал соответствующему назначенному драйверному устройству 59, только если фазовый ток меньше, чем пороговая величина Ilim, или меньше или равен пороговой величине Ilim.
На фиг. 6 показан пример разных величин как функций времени во время работы устройства, содержащего приемное устройство (такое, как приемное устройство, показанное на фиг. 1), подключенное к выпрямителю, показанному на фиг. 4. Выпрямитель на фиг. 4 выбран только для простоты. Похожее поведение постоянного напряжения на стороне выхода выпрямителя может быть достигнуто с выпрямителями, показанными на фиг. 1 - фиг. 5, и с измененным управлением переключателями, соответствующему тому факту, что имеются два переключателя в каждой ветви выпрямителя.
Горизонтальная ось диаграммы соответствует нормализованному времени, то есть частному от деления времени t на период tau_AR цикла включения или выключения переключателей 12. В верхней трети диаграммы вертикальная ось соответствует переменному току приемного устройства. Горизонтальная двойная стрелка показывает период tau_RES переменного тока, который изменяется с резонансной частотой CRES. В примере пиковые величины тока находятся в диапазоне от -10 А до 20 А. В средней трети диаграммы вертикальная ось соответствует постоянному напряжению выпрямителя. В примере величины напряжения изменяются между 60 В и 70 В. В нижней трети диаграммы вертикальная ось соответствует напряжению соответственно сигнала и пороговой величины. В примере пороговая величина равна 0,4 В и показана горизонтальной линией на этом уровне. Горизонтальная двойная стрелка показывает период tau_AR цикла выключения переключателей 12.
Как показано в верхней трети фиг. 6, переменный ток на входной стороне выпрямителя колеблется с резонансной частотой. Например, как описано выше в связи с фиг. 5, треугольный сигнал (нижняя треть диаграммы на фиг. 6, изменяющийся между пиковыми величинами 0 В и 1 В) сравнивается с пороговой величиной и запускает переключение переключателей 12 выпрямителя. Когда треугольный сигнал опускается ниже пороговой величины (в примере: 0,4 В), переключатели 12 включаются, как показано ступенчатой функцией в нижней трети диаграммы на фиг. 6, изменяющейся ступенчато вверх от -1 В до 1 В. Когда треугольный сигнал снова достигает пороговой величины, эти переключатели 12 снова отключаются, как показано ступенчатой функцией, изменяющейся ступенчато вниз от 1 В до 0 В.
В моменты времени, когда переключатели 12 включаются, фазовые линии приемного устройства замыкаются. Поэтому пиковая величина переменного тока, показанная в верхней трети диаграммы, возрастает во время следующих периодов. В дополнение, постоянное напряжение, показанное в средней трети диаграммы, снижается. Снижение прекращается путем выключения снова переключателей 12. После этого, когда переключатели 12 выключены, постоянное напряжение повышается.
1. Устройство для обеспечения транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля, электрической энергией, причем:
- устройство содержит приемное устройство (1), выполненное для приема переменного электромагнитного поля и для выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- приемное устройство (1) содержит по меньшей мере одну индуктивность (3), которая выполнена из электропроводящего материала, для выработки одной фазы переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- по меньшей мере одна индуктивность (3) и факультативно по меньшей мере еще один электрический элемент (4), который подключен к индуктивности (3) для выработки одной фазы переменного электрического тока, имеет(-ют) резонансную частоту, с которой вырабатывается фаза переменного электрического тока, когда переменное электромагнитное поле соответствующей частоты принимается приемным устройством (1),
- индуктивность (3) и факультативно по меньшей мере еще один электрический элемент (4) подключена(-ны) к выпрямителю (10) для выпрямления переменного электрического тока и выработки таким образом постоянного электрического тока,
- выпрямитель (10) содержит по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель (12, 13), который расположен или, в случае более чем одного автоматически управляемого переключателя (12, 13), которые расположены таким образом, что замыкание переключателя (12, 13) или замыкание нескольких переключателей приводит к образованию цепи короткого замыкания параллельно индуктивности (3) или параллельно двум или более индуктивностям (3), факультативно включая по меньшей мере еще один электрический элемент(-ты) (4),
- устройство содержит управляющее устройство, которое выполнено для управления по меньшей мере одним автоматически управляемым переключателем (12, 13), и
- управляющее устройство выполнено для включения и выключения по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13) с частотой, которая меньше, чем резонансная частота.
2. Устройство по предшествующему пункту, причем приемное устройство (1) содержит несколько фазовых линий (2а, 2b, 2с) из электропроводящего материала, причем каждая фазовая линия (2а, 2b, 2с) содержит одну из индуктивностей (3), причем каждая индуктивность (3) выполнена для выработки одной из нескольких фаз переменного электрического тока, и причем фазовые линии (2а, 2b, 2с) подключены друг к другу с образованием нейтральной точки звезды на одном конце фазовой линии (2а, 2b, 2с) и подключены к выпрямителю (10) на противоположном конце фазовой линии (2а, 2b, 2с).
3. Устройство по п. 2, причем каждый из противоположных концов фазовых линий (2а, 2b, 2с) подключен к одному из нескольких мостов выпрямителя (10), причем каждый мост содержит два однонаправленных вентиля (14, 15), которые подключены последовательно друг другу, причем каждый вентиль (14, 15) выполнен для пропускания электрического тока только в одном направлении, и причем по меньшей мере один из вентилей каждого моста объединен с одним из автоматически управляемых переключателей (12, 13), так что, если переключатель (12, 13) включен, электрический ток может течь в противоположном направлении через вентиль (14, 15) или может течь мимо вентиля (14, 15) в противоположном направлении.
4. Устройство по п. 1, причем по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель (12, 13) объединен с вентилем (14, 15) выпрямителя (10), причем вентиль (14, 15) выполнен для пропускания электрического тока только в одном направлении, и причем, если переключатель (12, 13) включен, электрический ток может течь в противоположном направлении через вентиль или может течь мимо вентиля (14, 15) в противоположном направлении, причем управляющее устройство выполнено для разрешения включения переключателя (12, 13), только когда величина протекающего через вентиль (14, 15) электрического тока равна нулю или меньше, чем заранее заданная пороговая величина.
5. Устройство по одному из предшествующих пунктов, причем управляющее устройство содержит блок управления, который выполнен для управления отношением интервалов времени, когда по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель (12, 13) включен и, следовательно, имеется цепь короткого замыкания, к интервалам времени, когда по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель (12, 13) выключен.
6. Устройство по одному из пп. 1-4, причем управляющее устройство выполнено для управления переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13) в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока на стороне постоянного тока выпрямителя (10).
7. Устройство по одному из пп. 1-4, причем устройство содержит аккумулирующее устройство для хранения электрической энергии, которая поставляется выпрямителем (10), причем выпрямитель (10) подключен к аккумулирующему устройству, и причем управляющее устройство выполнено для управления переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13) в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока, которая(-ые) требуется(-ются) для зарядки аккумулирующего устройства.
8. Устройство по п. 5, причем устройство содержит аккумулирующее устройство для хранения электрической энергии, которая поставляется выпрямителем (10), причем выпрямитель (10) подключен к аккумулирующему устройству, и причем управляющее устройство выполнено для управления переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13) в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока, которая(-ые) требуется(-ются) для зарядки аккумулирующего устройства.
9. Устройство по п. 6, причем устройство содержит аккумулирующее устройство для хранения электрической энергии, которая поставляется выпрямителем (10), причем выпрямитель (10) подключен к аккумулирующему устройству, и причем управляющее устройство выполнено для управления переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13) в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока, которая(-ые) требуется(-ются) для зарядки аккумулирующего устройства.
10. Транспортное средство, содержащее устройство по одному из предшествующих пунктов, причем выпрямитель (10) подключен к аккумулирующему устройству для хранения электрической энергии.
11. Способ эксплуатации транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля, с использованием электрической энергии, причем:
- переменное электромагнитное поле принимают и используют для выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- переменное электромагнитное поле принимают посредством по меньшей мере одной индуктивности (3), которая выполнена из электропроводящего материала и которая посредством электромагнитной индукции вырабатывает одну фазу переменного тока,
- индуктивность (3) и факультативно по меньшей мере еще один электрический элемент (4), который подключен к индуктивности (3), вырабатывает фазу переменного электрического тока на резонансной частоте,
- переменный электрический ток выпрямляют посредством выпрямителя (10) и за счет этого вырабатывают постоянный электрический ток,
- выпрямитель (10) приводят в действие с использованием по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13), который или, в случае более чем одного автоматически управляемого переключателя (12, 13), которые временно замыкаются, так что создается цепь короткого замыкания параллельно индуктивности (3) или параллельно двум или более индуктивностям (3), факультативно включая по меньшей мере еще один электрический элемент(-ты) (4),
- по меньшей мере одним автоматически управляемым переключателем (12, 13) управляют с помощью управляющего устройства так, что по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель (12, 13) включается и выключается с частотой, которая меньше, чем резонансная частота.
12. Способ по п. 11, причем переменный электрический ток вырабатывают с использованием нескольких фазовых линий (2а, 2b, 2с) из электропроводящего материала, причем каждая фазовая линия (2а, 2b, 2с) содержит одну из индуктивностей (3), которая вырабатывает одну из нескольких фаз переменного электрического тока.
13. Способ по п. 11, причем выпрямитель (10) содержит вентиль (14, 15), который используют для выпрямления переменного электрического тока, причем автоматически управляемый переключатель (12, 13) объединен с вентилем (14, 15), причем вентиль (14, 15) пропускает, в первом рабочем состоянии, когда переключатель (12, 13) выключен, электрический ток только в одном направлении, и вентиль или байпасная линия вентиля (14, 15) может пропускать, во втором рабочем состоянии, когда переключатель (12, 13) включен, электрический ток в противоположном направлении, причем включение переключателя (12, 13) разрешается только тогда, когда величина электрического тока через вентиль (14, 15) равна нулю или меньше, чем заранее заданная пороговая величина.
14. Способ по п. 12, причем выпрямитель (10) содержит вентиль (14, 15), который используют для выпрямления переменного электрического тока, причем автоматически управляемый переключатель (12, 13) объединен с вентилем (14, 15), причем вентиль (14, 15) пропускает, в первом рабочем состоянии, когда переключатель (12, 13) выключен, электрический ток только в одном направлении, и вентиль или байпасная линия вентиля (14, 15) может пропускать, во втором рабочем состоянии, когда переключатель (12, 13) включен, электрический ток в противоположном направлении, причем включение переключателя (12, 13) разрешается только тогда, когда величина электрического тока через вентиль (14, 15) равна нулю или меньше, чем заранее заданная пороговая величина.
15. Способ по одному из пп. 11-14, причем отношение интервалов времени, когда по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель (12, 13) включен и, следовательно, имеется цепь короткого замыкания, к интервалам времени, когда по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель (12, 13) выключен, регулируют посредством управляющего устройства.
16. Способ по одному из пп. 11-14, причем управляющее устройство управляет переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13) в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока на стороне постоянного тока выпрямителя (10).
17. Способ по п. 15, причем управляющее устройство управляет переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13) в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока на стороне постоянного тока выпрямителя (10).
18. Способ по п. 16, причем электрическую энергию поставляют посредством выпрямителя (10) к энергоаккумулирующему устройству транспортного средства, и причем управляющее устройство управляет переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13) в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока, которая(-ые) требуется(-ются) для зарядки аккумулирующего устройства.
19. Способ по п. 17, причем электрическую энергию поставляют посредством выпрямителя (10) к энергоаккумулирующему устройству транспортного средства, и причем управляющее устройство управляет переключением по меньшей мере одного автоматически управляемого переключателя (12, 13) в зависимости от величины(-ин) напряжения и/или тока, которая(-ые) требуется(-ются) для зарядки аккумулирующего устройства.
20. Способ изготовления транспортного средства, прежде всего привязанного к полосе движения транспортного средства и/или дорожного автомобиля, имеющий следующие шаги:
- обеспечение приемного устройства (1), выполненного для приема переменного электромагнитного поля и выработки переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- обеспечение для приемного устройства (1) по меньшей мере одной индуктивности (3), которая выполнена из электропроводящего материала, для выработки одной фазы переменного электрического тока посредством электромагнитной индукции,
- адаптация по меньшей мере одной индуктивности (3) и факультативно по меньшей мере еще одного электрического элемента (4), который подключен к индуктивности (3) для выработки одной фазы переменного электрического тока, к работе на резонансной частоте, с которой вырабатывается фаза переменного электрического тока, когда переменное электромагнитное поле с соответствующей частотой принимается приемным устройством (1),
- подключение индуктивности (3) и факультативно по меньшей мере еще одного электрического элемента к выпрямителю (10) для выпрямления переменного электрического тока и выработки за счет этого постоянного переменного тока,
- размещение по меньшей мере одного автоматически регулируемого переключателя (12, 13) выпрямителя (10) таким образом, что замыкание переключателя (12, 13) или замыкание нескольких переключателей (12, 13) приводит к цепи короткого замыкания параллельно индуктивности (3) или параллельно двум или более индуктивностям (3), факультативно включая по меньшей мере еще один электрический элемент(-ты) (4),
- обеспечение управляющего устройства и адаптация управляющего устройства так, что он способен управлять по меньшей мере одним автоматически управляемым переключателем (12, 13), и - адаптация управляющего устройства так, что он способен включать и выключать по меньшей мере один автоматически управляемый переключатель (12, 13) с частотой, которая меньше, чем резонансная частота.
